泊江海子流域土壤重金属分布与生态风险探讨

辛 展１，娄华君２，张 征１，梁 康２，李 颖１，杨晓红３

（１．北京林业大学环境科学与工程学院，北京 １０００８３；２．中国科学院地理科学与资源研究所，北京 １００１０１；

３．鄂尔多斯国家级遗鸥自然保护区管理局，内蒙古 鄂尔多斯 ０１７０００）

摘要：以泊江海子流域的土壤为对象，采集表层土样５４份，对７种重金属（Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｈｇ、Ａｓ）含量进行了分析，利用ＡｒｃＧＩＳ １０．１获取各重金属在该流域空间分布特征，运用单因子法、综合污染指数法及Ｈａｋａｎｓｏｎ潜在生态危害指数法对研究区的土壤质量及重金属潜在生态危害程度进行评价。结果表明，土样中７种重金属含量平均值从高到低依次为Ｚｎ（７９．６0 ｍｇ／ｋｇ）、Ｃｒ（５６．４0 ｍｇ／ｋｇ）、Ｎｉ（１２．８９ ｍｇ／ｋｇ）、Ａｓ（１２．４８ ｍｇ／ｋｇ）、 Ｃｕ（８．３４ ｍｇ／ｋｇ）、Ｐｂ（６．６０ ｍｇ／ｋｇ）、Ｈｇ（０．０３ ｍｇ／ｋｇ），均达到了国家土壤环境质量标准（ＧＢ １５６１８－１９９５）一级标准，其中Ｚｎ、Ｃｒ、Ｐｂ含量均值高于内蒙古土壤背景值，Ｎｉ、Ａｓ、Ｃｕ含量低于内蒙古土壤背景值；７种重金属空间变异系数均达到中等变异程度；土壤各重金属元素的单因子指数均值从大到小依次为Ａｓ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ｐｂ，综合污染指数平均值为０．９５，说明整个研究区土壤为尚清洁状态；相对于标准，约１／３土壤存在轻微以上污染，Ｚｎ含量的高低是影响土壤环境质量的主导因素；Ｈｇ、Ａｓ为综合潜在生态风险主要贡献元素，综合潜在生态风险指数ＲＩ均值为８５．９８，该流域处于轻微生态危害等级。

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关键词 ：鄂尔多斯国家级遗鸥自然保护区；泊江海子流域；土壤重金属；分布特征；生态风险

中图分类号：Ｘ５３ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）05－1081-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.013

收稿日期：２０１４－１２－１６

基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＣ０９Ｂ００）

作者简介：辛 展（１９９０－），女，辽宁丹东人，在读硕士研究生，研究方向为环境监测与评价，（电话）１５１２００９０１４５（电子信箱）ｘｉｎｚｈａｎ１９９０＠１６３．ｃｏｍ；

通信作者，娄华君，（电子信箱）ｌｏｕｈｊ＠ｉｇｓｎｒｒ．ａｃ．ｃｎ。

土壤中的重金属具有难降解、易积累、不可逆的特性［１－３］，其过量富集会对生态环境造成威胁，其中，对生态环境安全影响最大的重金属包括Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ以及Ａｓ等［４，５］。重金属作为土壤一个必要参数、生态安全的基本指标，已经成为环境领域的一个重要的研究方向。土壤重金属含量和生态环境质量息息相关，分析一个地区土壤重金属状态是判断该地区土壤环境质量安全的最直接、有效的方法［６］。

泊江海子流域的中心部分为鄂尔多斯国家级遗鸥自然保护区，是迄今为止全球仅有的以保护遗鸥及其栖息地湿地生境为目的的国际重要湿地［7］。随着泊江海子流域内油房壕煤矿和泊江海子煤矿的发现，最容易受煤矿业影响的土壤重金属将逐渐成为人们关注的焦点问题。目前，针对该地区的研究主要集中在生态学、动物学、水文学方面，对土壤的研究十分缺乏［７－１３］。本研究以泊江海子流域为研究对象，在煤矿未正式开采、土壤重金属含量尚未受到影响时，在野外充分地开展了土壤背景值调查，对土壤重金属Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｈｇ、Ａｓ含量进行测定，并系统分析了各种重金属的分布特征，按照国家标准对土壤环境质量状况及潜在的生态风险进行评价。本研究弥补了泊江海子流域在土壤方面的资料匮乏，不仅分析了该地区土壤的重金属背景值状况，评价了保护区湿地的生态环境安全状态，而且为以后分析煤矿的开采对当地土壤环境的影响及对土壤重金属的修复提供了科学依据。

１ 研究区概况

泊江海子流域地处内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜市西约４５ ｋｍ处，地理坐标为１０９°１０′－１０９°５８′Ｅ，３９°６５′－３９°９５′Ｎ，流域面积约为７４４．６ ｋｍ２（图１）。研究区属于鄂尔多斯波状高原，为典型的闭流盆地，四周高且中间低，最高点位于流域西侧巴彦敖包山，海拔约为１ ５９０ ｍ，最低点位于研究区中心的桃阿海子湖，海拔约为１ ３６０ ｍ，整个流域８０％以上的海拔高度在１ ３６５～１ ４２０ ｍ。流域属温带大陆性气候，其中８、９月份降雨量约占全年的６５％，１９６１～２００６年，泊江海子流域年均降雨量约３４４．７ ｍｍ，年均蒸发量约２ ５２３．７５ ｍｍ。流域内的植被以草地、沙柳为主，存在少量红柳、白刺等。该地区主要以栗钙土为主。

２ 样品采集与分析

２．１ 样品采集与预处理

在充分考虑地形特点及空间分布均匀性等因素的基础上，２０１３年在研究区内共确定采样点５４个。采样点采用ＧＰＳ定位坐标，采样布局如图２所示。采用混合采样法选取表面（０～２０ ｃｍ）土样，除去碎石、动植物残体等杂物，用四分法取５００ ｇ样品，将样品带回室内风干后，用木棒碾碎，过２ ｍｍ筛，装袋备用。

２．２ 重金属含量测定

土壤中Ａｓ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ利用ＨＦ－ＨＣｌＯ４－ＨＮＯ３三酸消煮法消化［１４］，处理后Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ用电感耦合等离子体发射光谱仪（ＩＣＰ－ＯＥＳ）测定，Ａｓ利用原子荧光法检测。土壤中Ｈｇ用原子荧光法检测［１４］。在样品进行消化、测定过程中，均有２~３个空白样品、平行样品和标准物质（ＧＳＳ－２、ＧＳＳ－１０）同步分析，控制分析结果质量。

２．３ 评价方法

本研究主要使用的评价方法包括单因子法及综合污染指数法［１４，１５］、生态危害指数法［１６］、ＡｒｃＧＩＳ １０．１克里格插值法。

２．３．１ 单因子法及综合污染指数法 单因子法常用于评价土壤被某一重金属的污染程度，是中国较为通用的方法。当评价某区域土壤受到多种重金属综合影响程度时，通常采用综合污染指数法，该方法更加突出超标最严重的重金属元素对土壤环境的影响［１５］。本研究采用单因子法和综合指数法两种方法相结合，来评价土壤重金属相对于国家一级标准浓度的超标程度，评价结果相对单一方法更加直观，能较精确、完整地反映出土壤质量的优劣。

单因子指数计算用公式如下：

式中，Ｐｉ为ｉ金属的污染指数；Ｃｉ为ｉ金属的实测值；Ｓｉ为ｉ金属的评价标准。

当Ｐｉ≤１时，表示土壤重金属含量未超过标准；Ｐｉ＞１时，表示土壤重金属含量超过标准。

综合污染指数ＰN法公式如下：

式中，Ｐｉａｖｅ为平均单项重金属指数；Ｐｉａｍｘ为最大单项重金属指数。

综合指数评价标准见表１。

２．３．２ 生态危害指数法 本研究采用潜在生态危害指数法对泊江海子流域土壤重金属存在的潜在生态危害进行评价。该方法从各个重金属具有的生物毒性角度考虑，不仅利用Ｅｉｒ定量的方法反映某种污染物的潜在生态危害的程度，同时利用ＲＩ反映了多种污染物的综合生态影响［１７］。

其计算公式为：

Ｅｉｒ＝Ｔｉｒ·Ｐｉ；ＲＩ＝∑Ｅｉｒ （３）

式中，Ｐｉ为ｉ金属的污染指数；Ｅｉｒ为ｉ金属的潜在生态风险指数；Ｔｉｒ为重金属的毒性系数；ＲＩ为多种重金属的综合潜在生态风险指数。

根据Ｈａｋａｎｓｏｎ的研究，７种重金属的毒性系数分别为：TＨｇ＝４０，TＡｓ＝１０，TＮｉ＝TＰｂ＝TＣｕ＝５，TＣｒ＝２，TＺｎ＝１［１６］。土壤重金属的潜在生态风险分级标准如表２所示：

３ 结果与分析

３．１ 土壤重金属统计

３．１．１ 重金属含量分析 经过对泊江海子流域５４个土壤样品的分析，７种重金属含量数据统计见表３。土壤中各种重金属的含量均值从大到小依次为：Ｚｎ（７９．６0 ｍｇ／ｋｇ）、Ｃｒ（５６．４0 ｍｇ／ｋｇ）、Ｎｉ（１２．８９ ｍｇ／ｋｇ）、Ａｓ（１２．４８ ｍｇ／ｋｇ）、 Ｃｕ（８．３４ ｍｇ／ｋｇ）、Ｐｂ（６．６０ ｍｇ／ｋｇ）、Ｈｇ（０．０３ ｍｇ／ｋｇ）。Ａｓ、Ｚｎ的含量平均值均超过了内蒙古地区、全国和世界土壤背景值［１８］，Ａｓ的含量均值约为内蒙古土壤背景值的２倍， Ｚｎ的含量均值约为内蒙古地区和世界土壤环境背景值的１．５倍，与全国的土壤背景值含量相近；研究区Ｈｇ的平均含量与内蒙古地区土壤背景值基本相同；仅为全国和世界土壤Ｈｇ含量的１／２左右；Ｃｒ含量高于内蒙古地区土壤背景值，比全国均值略低； Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｂ含量均值远低于内蒙古地区、全国、世界土壤的背景值，３种重金属的４个背景值含量从低到高均依次为泊江海子流域、内蒙古地区、全国、世界。与国家土壤环境质量标准（ＧＢ１５６１８－１９９５）一级标准相比，各重金属均值均未超标，但个别采样点重金属含量超标，其中Ｚｎ的超标率最高为１５．１％。

变异系数反映一个数据集变异性程度，变异系数≤０．１为弱变异性，０．１＜变异系数＜１为中等变异性，变异系数≥１为强变异性［１９］。７种重金属元素的变异系数均相对较大（０．３９～１．７５），均在中等变异以上，Ｚｎ达到强变异性，表明研究区内土壤各重金属，尤其是Ｚｎ浓度波动程度较大。

利用皮尔逊相关性检验对７种重金属之间的线性关系进行分析，结果如表4所示。在７种重金属之间，Ｃｒ和Ｐｂ、Ｚｎ存在０．０１水平上的显著负相关，Ｐｂ、Ｚｎ之间存在显著正相关；Ｃｒ和Ｎｉ之间存在显著正相关性，Ｃｕ和Ｎｉ之间存在极显著正相关，Ａｓ、Ｈｇ与其他重金属元素之间没有显著的相关性。

３．１．２ 重金属分布特征 为了更加清晰表述各重金属在整个流域的浓度分布状况，研究利用ＡｒｃＧＩＳ１０．１克里格插值法绘制出各重金属在研究区内的含量分布图（图3-图9）。

根据浓度分布图发现重金属含量分布规律如下：Ｎｉ在鸡沟河和乌尔图河两条主要河流的中上游地区浓度较低，在泊江海子周围不断增大，说明河流对Ｎｉ的富集作用比较明显，顺着河水的流向，造成Ｎｉ浓度在地表水汇集地泊江海子变大；Ｃｕ在整个流域分布规律整体为从流域四周到桃阿海子附近逐渐升高，Ｃｕ的分布主要和海拔高度有关，即随着高度的降低，Ｃｕ浓度逐渐增加；从区域的东北部向西南部，Ｃｒ含量总体呈现上升趋势；Ａｓ分布规律与Ｃｒ基本相反，从北部到南部含量逐渐下降；Ｈｇ在整个流域内含量较小，分布状况基本没有变化；Ｐｂ浓度从西北和东南方向向流域中心先减小再增大；Ｚｎ浓度从西北向东南方向逐渐升高，同时在研究区正北部地区浓度存在较大处。

３．２ 土壤质量评价结果

由表5可知，７种重金属的单因子指数平均值从大到小依次为Ａｓ（０．８３）、Ｚｎ（０．８0）、Ｃｒ（０．６３）、Ｎｉ（０．３２）、Ｃｕ（０．２４）、Ｈｇ（０．２２）、Ｐｂ（０．１９），按照单因子指数分级标准所属等级均为安全。从各重金属的指数分布来看，Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｈｇ除极少采样点为尚清洁，其余均为安全状态；Ｃｒ、Ａｓ指数主要分布在安全和尚清洁区域，只有少部分为轻污染；Ｚｎ大部分处于安全水平，有７个采样点浓度超过标准值达到２倍以上。经现场调查，泊江海子流域目前除受到生活、农业等人为影响之外，附近无可导致各重金属污染的工厂、产业。本次研究各重金属浓度接近该地区本底值，部分重金属浓度偏高除了与该地区土质等自然原因有密切联系，还可能与生活、农业生产例如农药的使用和农田的灌溉等有关。

研究区综合污染指数的范围是0.31~3.73，反映各采样相对于标准的污染水平各不相同，且差异明显，综合指数平均值为０．９５，尚为清洁水平。通过图１0综合指数分布图可得，相对于国家一级标准，在整个流域北部、西北部、中部土壤较清洁，从北至南土壤质量逐渐下降，东南角地区的土壤综合指数均大于１，处于轻微以上污染水平，面积约为整个流域１／３以上。同各重金属浓度分布图相比较，综合指数的分布状况与Ｚｎ空间浓度分布规律相似，说明Ｚｎ含量高低对研究区的综合污染指数空间的分布影响较大，为影响土壤质量的主导因素。

３．３ 潜在生态风险评价

由图１1可知，泊江海子流域各重金属的潜在生态风险由大到小为Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｎｉ，其中，Ｈｇ的部分采样点的风险等级为中等生态危害级别，是研究区潜在生态风险的主要来源，属于重金属污染的优先修复对象，对综合潜在风险贡献率为５９．１７％；Ａｓ仅３０号采样点为中等生态风险，对综合潜在风险贡献率为２７．７２％；其余５种重金属的值很低，主要集中在０～７，基本不存在潜在生态风险。泊江海子流域综合潜在生态风险指数（ＲＩ）在５６．３６～１８８．２６，平均为８５．９８，结果表明整个泊江海子流域土壤中重金属基本不存在综合潜在生态风险。根据ＲＩ风险等级划分，１１％的样点呈现中等潜在生态风险，８９％的样点存在轻微潜在生态风险。

单因子污染指数和潜在生态风险指数、综合污染指数和ＲＩ之间存在根本上的差异，主要是受到重金属毒性系数影响，在研究区内Ｈｇ虽然浓度较低，但毒性系数最高（ＴHg＝４０），因此潜在生态风险最大，反之，虽然Ｚｎ浓度明显高于标准值，由于Ｚｎ的生物毒性系数最低（ＴZn＝１），所以其生态风险降至最低。Ｈａｋａｎｓｏｎ潜在生态风险指数法在考虑重金属浓度基础上，更结合了不同重金属的生物毒性因素，相比较而言其结果更准确［２０］。

４ 结论

１）对泊江海子流域的土壤７种重金属进行分析，其均值均低于国家土壤环境质量标准（ＧＢ１５６１８－１９９５）一级标准；除Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｒ含量较大外，其余元素含量基本小于内蒙古土壤背景值；在研究区内各重金属的含量变异系数均为中等以上变异。

２）土壤各重金属元素的单因子指数均值从大到小依次为Ａｓ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｈｇ、Ｐｂ，均小于１；综合指数平均值为０．９５，说明整个研究区土壤为尚清洁状态；该流域从西北向东南土壤环境质量逐渐下降，约１／３以上面积土壤未达到尚清洁标准，Ｚｎ含量是影响整个流域土壤质量的主导因素。

３）生态风险指数分析表明，除部分土样Ｈｇ存在中等、强潜在生态风险，其他元素潜在生态风险轻微；Ｈｇ、Ａｓ为综合潜在生态风险主要贡献元素，贡献率分别为５９．１７％、２７．７２％；综合潜在生态风险指数（ＲＩ）均值为８５．９８，该流域处于轻微生态危害等级。

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（责任编辑 程碧军）